Name: fabrication of silica ultra high quality factor microresonators
Uploaded: 2012-07-02T08:04:00
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安嫩伯格基金会研究生研究奖学金A.制造商的支持，并支持这项工作是由国家科学基金会[085281和1028440]。

1。微球的制备<ol><li>选择从一端的光纤，带〜1.5“熔覆少量（约5英寸），无论是甲醇或乙醇（ 图1A，B）和清理。 </li><li>如果可用，年底，光纤切割刀切割。如果没有可用的，剪线刀或剪刀，离开〜0.5“。使用光纤菜刀的优势是，它会产生一个非常光滑，均匀切图1b。从削减过度粗糙或缺陷可能会导致不平衡回流，降低导致球的质量因素。 </li><li>暴露在清洁的纤维年底...

<ol>
	<li>Armani, D. K., Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-high-Q+toroid+microcavity+on+a+chip.">Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip.</a> Nature. 421, 925-928 (2003).</li><li>Gorodetsky, M. L., Savchenkov, A. A., Ilchenko, V. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultimate+Q+of+optical+microsphere+resonators.">Ultimate Q of optical microsphere resonators.</a> Optics Letters. 21, 453-455 (1996).</li><li>Armani, A. M., Kulkarni, R. P., Fraser, S. E., Flagan, R. C., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Label-Free,+Single-Molecule+Detection+with+Optical+Microcavities.">Label-Free, Single-Molecule Detection with Optical Microcavities.</a> Science. 317, 783 (2007).</li><li>Choi, H. S., Ismail, S., Armani, A. 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M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-low+threshold+Er:Yb+sol-gel+microlaser+on+silicon.">Ultra-low threshold Er:Yb sol-gel microlaser on silicon.</a> Optics Express. 17, 23265 (2009).</li><li>Zhu, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-chip+single+nanoparticle+detection+and+sizing+by+mode+splitting+in+an+ultrahigh-Q+microresonator.">On-chip single nanoparticle detection and sizing by mode splitting in an ultrahigh-Q microresonator.</a> Nature Photonics. 4, 46-49 (2009).</li><li>Zhang, X., Choi, H. -. S., Armani, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultimate+quality+factor+of+silica+microtoroid+resonant+cavities.">Ultimate quality factor of silica microtoroid resonant cavities.</a> Applied Physics Letters. 96, 153304 (2010).</li><li>Vernooy, D. W., Ilchenko, V. S., Mabuchi, H., Streed, E. W., Kimble, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Q+measurements+of+fused-silica+microspheres+in+the+near+infrared.">High-Q measurements of fused-silica microspheres in the near infrared.</a> Optics Letters. 23, 247-249 (1998).</li><li>Saleh, B. E. A., Teich, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fundamentals of Photonics. , (2007).</li><li>Ilchenko, V. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crystal+quartz+optical+whispering-gallery+resonators.">Crystal quartz optical whispering-gallery resonators.</a> Optics Letters. 33, 1569-1571 (2008).</li><li>Soteropulos, C., Hunt, H., Armani, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+binding+kinetics+using+whispering+gallery+mode+microcavities.">Determination of binding kinetics using whispering gallery mode microcavities.</a> Applied Physics Letters. 99, 103703 (2011).</li><li>Barclay, P. E., Srinivasan, K., Painter, O., Lev, B., Mabuchi, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integration+of+fiber-coupled+high-Q+SiNx+microdisks+with+atom+chips.">Integration of fiber-coupled high-Q SiNx microdisks with atom chips.</a> Applied Physics Letters. 89, (2006).</li><li>Srinivasan, K., Painter, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mode+coupling+and+cavity-quantum-dot+interactions+in+a+fiber-coupled+microdisk+cavity.">Mode coupling and cavity-quantum-dot interactions in a fiber-coupled microdisk cavity.</a> Physical Review. A. 75, (2007).</li><li>Xu, Q. F., Lipson, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=All-optical+logic+based+on+silicon+micro-ring+resonators.">All-optical logic based on silicon micro-ring resonators.</a> Optics Express. 15, 924-929 (2007).</li><li>Martin, A. L., Armani, D. K., Yang, L., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Replica-molded+high-Q+polymer+microresonators.">Replica-molded high-Q polymer microresonators.</a> Optics Letters. 29, 533-535 (2004).</li><li>Chao, C. Y., Guo, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polymer+microring+resonators+fabricated+by+nanoimprint+technique.">Polymer microring resonators fabricated by nanoimprint technique.</a> Journal of Vacuum Science Technology B. 20, 2862-2866 (2002).</li><li>Armani, A. M., Armani, D. K., Min, B., Vahala, K. J., Spillane, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-high-Q+microcavity+operation+in+H2O+and+D2O.">Ultra-high-Q microcavity operation in H2O and D2O.</a> Applied Physics Letters. 87, 151118 (2005).</li><li>Kovacs, G. T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Micromachined Transducers Sourcebook. , (1998).</li><li>Kovacs, G. T. A., Maluf, N. I., Petersen, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bulk+Micromaching+of+Silicon.">Bulk Micromaching of Silicon.</a> Proceedings of the IEEE. 86, 1536-1551 (1998).</li></ol>

与任何光学结构，在制造过程的每一步保持清洁是至关重要的。由于光刻技术和制造上的主题撰写了大量教科书，下面的建议是不打算要全面，但突出了几个比较常见的研究人员所面临的问题。19-20 由于微型环芯的外围均匀确定由均匀的初始磁盘，这是非常重要的模式非常圆盘。具体的微型环芯常见的问题是：1）模糊了照片口罩，2）贫困光刻（下或曝光过度，下发?...

<table border="1"><tbody><tr><td> 部分名称 </td><td> 公司 </td><td> 目录编号 </td><td> 评论 </td></tr><tr><td>纤维隶</td><td>纽波特</td><td>架F-RFS的</td><td>可选</td></tr><tr><td>光纤</td><td>纽波特</td><td>的F-SMF-28 </td><td>可用于任何类型的光纤。 </td></tr><tr><td>光纤涂层剥</td><td>纽波特</td><td>架F-STR-175 </td><td>也可用于剥线</td></tr><tr><td>乙醇</td><td>任何供应商</td><td>溶剂级纯度</td><td>甲醇或异丙醇是替代品</td></tr></tbody></table> 表1。微球的制造材料。 <table border="1"><tbody><tr><td> 试剂名称 </td><td> 公司 </td><td> &lt;强&gt;产品目录</td><td> 评论 </td></tr><tr><td>硅片与2μm的热生长二氧化硅</td><td>应激材料</td><td> N / A </td><td>我们使用的内在8，&lt;100&gt; 4“直径</td></tr><tr><td>涂HMDS（六甲基） </td><td>奥尔德里奇</td><td> 440191 </td><td></td></tr><tr><td>光阻</td><td>希普利</td><td> S1813 </td><td></td></tr><tr><td>开发人员</td><td>希普利</td><td> MF-321 </td><td></td></tr><tr><td>缓冲氢氟酸 - 改进</td><td> transene </td><td> N / A </td><td>改进缓冲高频提供更顺畅，更好的质量比普通京东方或HF蚀刻</td></tr><tr><td>丙酮，甲醇，异丙醇</td><td>任何供应商</td><td>纯度99.8％ </td><td></td></tr></tbody></table> 表2。MICRotoroid制作材料。 <table border="1"><tbody><tr><td> 设备名称 </td><td> 生产厂家 </td><td> 目录编号 </td><td> 评论 </td></tr><tr><td>微调</td><td> solitec </td><td> 5110-ND </td><td>可用于任何微调。 </td></tr><tr><td>对准</td><td> SUSS MicroTec公司</td><td> MJB 3 </td><td>可用于任何对准。 </td></tr><tr><td> XEF 2蚀刻</td><td>先进的通信设备公司</td><td> ＃ADCETCH2007 </td><td></td></tr></tbody></table> 表3。微型环芯半导体设备。 <table border="1"><tbody><tr><td> 部分名称 </td><td> 公司 </td><td> 目录编号 </td><td> 评论 </td></tr><tr><td>的CO 2 </suB&gt;激光</td><td> SYNRAD </td><td>系列48 </td><td></td></tr><tr><td> 3轴阶段</td><td> OptoSigma </td><td> 120-0770 </td><td>以及从其他供应商提供。 </td></tr><tr><td>硅反射镜直径为1“） </td><td> II-VI族</td><td> 308325 </td><td>以及从其他供应商提供。 </td></tr><tr><td>运动学万向节安装（硅反射镜） </td><td>托尔实验室</td><td> KX1G </td><td>以及从其他供应商提供。 </td></tr><tr><td>波束合成（1“直径） </td><td>梅勒光学</td><td> L19100008-B0 </td><td>以及从其他供应商提供。 </td></tr><tr><td> 4“焦距镜头（直径为1”） </td><td>梅勒光学或II-VI </td><td></td><td>以及从其他供应商提供</td></tr><tr><td>什锦职位，镜头坐骑</td><td>托尔实验室，新港，埃德蒙光学或Optosigma </td><td></td><td></td></tr><tr><td>变焦6000机器视觉系统</td><td> NAVITAR </td><td> N / A </td><td>需要通用的USB摄像头和计算机实时成像。这是作为套件购买。 </td></tr><tr><td>调焦为变焦6000系统</td><td>埃德蒙光学</td><td> 54-792 </td><td>以及从其他供应商提供。 </td></tr><tr><td>变焦6000的XZ轴定位</td><td>帕克千变万化</td><td> CR4457，CR4452，4499 </td><td> CR4457是X轴，CR4452是4499 Z轴，安装支架。 </td></tr></tbody></table> 表4 CO 2激光回流焊设置。

fabrication of silica ultra high quality factor microresonators

花落画廊谐振腔局限光圆轨道，在其周边的1-2光子在腔内的存储寿命，腔的品质因数（Q）的量化，可以与Q值超过腔为500ns以上。亿。由于其低的物质损失的结果已经证明，硅微腔迄今寿命最长的光子1-2。由于部分循环光谐振腔外扩展，这些设备也可以被用来探测周围的环境。这种相互作用使生物学中的无数次的实验，如单分子生物检测和抗体抗原反应动力学，以及在其他领域，如超低阈值的微腔，薄膜的特性，腔量子电动力学研究的发展，发现。 3-7 两个主要的硅谐振腔的几何是微的microtoroi的D。这两款器件依靠二氧化碳激光回流步骤，以实现其超高Q值的因素（问&gt; 100万美元）。1-2,8-9，但有几个显着的差异，两种结构之间的。硅胶微球是自由站立，由一个单一的光纤，而在大型阵列使用光刻和蚀刻步骤的组合硅片上制造硅microtoroids可以支持。这些差异的影响，对于一个给定的实验设备是最佳。 在这里，我们提出了谐振腔两种类型的详细制作协议。虽然微谐振腔的制作相当简单，制造微型环芯共振腔，需要额外的专用设备和设施（洁净室）。因此，这额外的要求，也可能影响选择一个给定的实验设备。 介绍光学重sonator有效地局限在特定波长，称为设备的谐振波长的光。1-2这些光学谐振腔的共同优点的数字是质量因素或问：这个术语描述了光子寿命（τO）在谐振器，这是直接关系到谐振器的光损失。因此，具有很高的Q因子的光学谐振器具有低光学损失，光子寿命长，和非常低的光子衰减率（1 /τØ）。为光子寿命长，它是不可能建立的循环在这些设备中的光场强度非常大。这非常独特的属性允许这些设备将用于激光源和集成传感器10。 独特的谐振子类回音壁模式光学微腔。在这些设备中，光被局限在外围的圆形轨道。因此，该领域还没有完全刀豆罚款内的设备，但evanesces到环境中。光学腔回音壁模式已经证明任何光学谐振腔的一些最高质量的因素。9,11因此，这些设备被用于整个科学与工程，包括在基础物理研究，以及在电讯，生物检测实验。 3-7,12 制作光学微腔可以从各种材料和各种各样的几何图形。举几个例子包括硅和硅microtoroids的，硅，氮化硅和二氧化硅microdisks，micropillars，硅和聚合物微环。13-17品质因数（Q）的范围内变化急剧的几何。虽然几何和高Q值在任何领域都是重要的考虑因素，在许多应用中，有更大的杠杆提高设备的性能通过Q增强。其中德泰众多选项以前的领导，二氧化硅微球和二氧化硅微型环芯共振器取得了一些最高的Q值。1,9此外，作为一个非常低的光损失，可见通过近红外光谱，这两个球和二氧化硅的结果microtoroids能够保持其Q值的测试波长范围广泛。18最后，因为硅胶是固有的生物相容性，它经常用于在生物检测实验。 除了 ​​在高物质的吸收，还有其他一些潜在的损失的机制，包括表面粗糙度，辐射损耗，污染损失。2，通过优化设备的大小，它是可以消除贫困光学领域禁闭产生的辐射损失，内的设备。同样，存储在一个适当的环境清洁设备，表面污染可减至最低。因此，除了物质损失外，苏rface散射2,8是关注的主要损失机制。 在硅器件，尽量减少使用激光回流焊技术，它通过表面张力引起的回流熔化二氧化硅表面散射。球面光学谐振器已研究多年，虽然它是只与制造技​​术的最新进展，研究人员已经能够制造高品质的硅光环形微谐振器（问&gt; 100万美元），在硅衬底上，从而铺平了整合的方式微流体。1 目前的一系列协议，详细介绍了如何制作二氧化硅微球和微型环芯共振腔。虽然建立硅微谐振腔，微型环芯共振腔最近才发明的。1由于许多用于制造微球的基本方法也更复杂的微型环芯制造程序及使用E，它包括在一个单一的协议将使研究人员能够更容易闹事拍摄他们的实验。

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Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

我们描述了利用二氧化碳激光回流焊技术来制造石英谐振腔，包括微球和芯片microtoroids的独立。回流法去除表面缺陷，允许在两个设备的光子寿命。由此产生的设备有超高质量的因素，使应用范围从电信到生物检测。

硅胶超高品质因子微谐振器的制造

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the ...

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